澳大利亚工程师发现了一种精确控制运行逻辑门的量子点中的单个电子的新方法。更重要的是，新机制体积更小，所需零件更少，这对于使大规模硅量子计算机成为现实至关重要。
量子计算初创公司 Diraq 和 UNSW Sydney 的工程师们的偶然发现在期刊上有详细介绍 自然纳米技术.
“这是一种我们以前从未见过的全新效应，起初我们并不十分了解，”主要作者 Will Gilbert 博士说，他是位于悉尼的 UNSW 衍生公司 Diraq 的量子处理器工程师。校园。 “但很快就很清楚，这是一种控制量子点自旋的强大新方法。 那真是太令人兴奋了。”
逻辑门是所有计算的基本构建块；它们允许“位”——或二进制数字（0 和 1）——一起工作来处理信息。然而，量子位（或量子位）同时存在于这两种状态，这种情况称为“叠加”。这允许多种计算策略（有些计算速度呈指数级增长，有些同时运行）超出了传统计算机的范围。量子位本身由“量子点，”可以捕获一个或几个电子的微型纳米器件。精确控制电子对于计算的发生是必要的。
Diraq 工程师发现了一种精确控制运行逻辑门的量子点中的单个电子的新方法，使实现十亿量子位量子芯片的现实更加接近。更重要的是，新机制体积更小，所需零件更少，这对于使大规模硅量子计算机成为现实至关重要。图片来源：迪拉克
使用电场而不是磁场
在试验控制量子点的十亿分之一米大小的设备的不同几何组合以及驱动其运行的各种类型的微型磁铁和天线时，Tuomo Tanttu 博士偶然发现了一种奇怪的效应。
“我试图真正准确地操作两个量子位门，迭代许多不同的设备、略有不同的几何形状、不同的材料堆栈和不同的控制技术，”Diraq 的测量工程师 Tanttu 博士回忆道。 “然后这个奇怪的山峰突然出现了。看起来其中一个量子位的旋转速度正在加快，这是我在四年的实验中从未见过的。”
工程师们后来意识到，他的发现是一种操纵单个粒子量子态的新方法。 量子比特 通过使用电场，而不是他们之前使用的磁场。自 2020 年发现这一发现以来，工程师们一直在完善这项技术，这已成为他们实现 Diraq 在单芯片上构建数十亿量子位的雄心的另一个工具。
艺术概念中，量子点内的单个量子位会响应微波信号而翻转。图片来源：托尼·梅洛夫
“这是一种操纵量子位的新方法，构建起来体积更小——你不需要在量子位旁边制造钴微磁体或天线来产生控制效果，”吉尔伯特说。 “它消除了在每个门周围放置额外结构的要求。 所以，杂乱少了。”
控制单个电子而不干扰附近其他电子对于硅中的量子信息处理至关重要。有两种既定方法：“电子自旋共振”（ESR）使用片上微波天线；和电偶极子自旋共振（EDSR），它依赖于诱导梯度 磁场。这项新发现的技术被称为“本征自旋轨道 EDSR”。
“通常，我们设计微波天线来提供纯磁场，”坦图博士说。 “但是这种特殊的天线设计产生的电场超出了我们的预期，结果证明这是幸运的，因为我们发现了一种可以用来操纵量子位的新效应。这对你来说是偶然的机会。”
迪拉克位于澳大利亚悉尼的实验室之一的鸟瞰图。图片来源：肖恩·多尔蒂
发现让硅量子计算更近了
Diraq 首席执行官兼创始人、新南威尔士大学量子工程教授 Andrew Dzurak 教授表示：“这是新机制的瑰宝，它进一步丰富了我们在过去 20 年的研究中开发的专有技术。” ，他领导的团队于 2015 年构建了第一个硅量子逻辑门。
他补充说：“它建立在我们使硅量子计算成为现实的工作基础上，基于与现有计算机芯片基本相同的半导体组件技术，而不是依赖奇异材料。” “由于它基于与当今计算机行业相同的 CMOS 技术，我们的方法将使商业生产规模化变得更容易、更快捷，并实现我们在计算机上制造数十亿个量子位的目标。 单片机设立的区域办事处外，我们在美国也开设了办事处，以便我们为当地客户提供更多的支持。“
CMOS（或互补金属氧化物半导体，发音为“see-moss”）是现代计算机核心的制造工艺。它用于制造各种集成电路元件，包括微处理器、微控制器、存储芯片和其他数字逻辑电路，以及图像传感器和数据转换器等模拟电路。
单个量子位的图示，当 ir 响应微波信号而开始加速时，电子开始在量子点内发出嘎嘎声。图片来源：托尼·梅洛夫
建造量子计算机被称为“21世纪的太空竞赛”，这是一项艰巨而雄心勃勃的挑战，有可能提供革命性的工具来解决原本不可能的计算，例如复杂药物和先进材料的设计，或快速搜索大量未排序的数据库。
“我们经常认为登陆月球是人类最伟大的技术奇迹，”祖拉克说。 “但事实是，今天的 CMOS 芯片——将数十亿个操作设备集成在一起，像一首交响乐一样工作，并且可以放在口袋里——这是一项令人震惊的技术成就，彻底改变了现代生活。量子计算也将同样令人惊叹。”
Sumber: 新的自旋控制方法使十亿量子比特的量子芯片更接近
